Експериментально-теоретичний аналіз електромеханічних резонансних коливань і ефективності перетворення енергії в п’єзокерамічних тонкостінних елементах конструкцій

У п'ятому розділі розглянуті результати експериментального дослідження задач про зв'язану електромеханічну поведінку п'єзокерамічних оболонкових тіл монолітної та складеної конструкцій при гармонічному електричному навантаженні. Для цих задач на основі елементів прикладної теорії п'єзокерамічних оболонок обертання показано, що свій внесок у вимірюваний п'єзозаряд у МПТрД дають лише динамічні механічні напруження, оскільки можливий внесок від згинових моментів усереднюється по товщині оболонки й сумарно дорівнює нулю.

У монолітній циліндричній оболонці заввишки 20 мм при зовнішньому діаметрі 30 мм і товщині стінки КДКЕМЗ найсильнішої “синфазно-поздовжньої” моди досягає 0,183, що більше від багатьох круглих пластин. Після приклеювання до торця оболонки ще однієї такої ж оболонки КДКЕМЗ складеного циліндра зростає до 0,206. При протифазному приєднанні зовнішніх та внутрішніх електродів секцій найвищу зв'язаність демонструє обертон поздовжніх коливань L2, який при синфазному живленні електродів секцій не реєструється.

Досліджені основні закономірності вимушених електропружних коливань п'єзокерамічного порожнистого циліндра висотою 33 мм при серединному діаметрі 15 мм і товщині стінки 3 мм в процесі поступового зменшення його висоти до 5 мм. Для випадку початкової висоти (33 мм) наведені результати вимірювання коефіцієнтів передачі п'єзотрансформаторних датчиків на десяти резонансних частотах у діапазоні від 40 до 200 кГц. Виявлено, що дві сусідні моди ІІІ і ІУ мають практично однакові рівні динамічних напружень в середній частині циліндра, проте перша з них майже всемеро слабша по КДКЕМЗ. Їхні частоти відрізняються лише на 1,4 % і дуже сильна мода ІУ істотно впливає на характер напруженого стану близької до неї моди ІІІ. Досліджені напружений стан і ефективність перетворення енергії складеними пустотілими циліндрами на спеціально виготовлених макетах із п'єзотрансформаторними датчиками, відділеними в компонентах перед склеюванням. Показано, що при нерівномірному електричному навантаженні, коли електричне поле збудження подається на частину кілець-компонентів, можна підвищити КДКЕМЗ поздовжніх коливань до 20 %. У табл.2 наведені КДКЕМЗ перших трьох мод дванадцяти компонентного макета, віднесені до КДКЕМЗ відповідних мод повністю наван-таженого перетворювача в залежності від числа пар “активних” кілець. Частотний спектр складеного перетворювача і напружений стан істотно змінюються після подвоєння його довжини, коли кількість його шайб-кілець досягає 24. Тепер найвищу інтенсивність коливань має мода ІІ, її можна вважати першою поздовжньою по довжині або “синфазною”. Аналогічне зростання КДКЕМЗ було і при подвоєнні довжини складеної циліндричної оболонки. Залежність КДКЕМЗ перших трьох мод від числа активних пар кілець для режимів КЗ, ХХ і ПП (протифазне приєднання) показує табл.3. Мода ІІ демонструє зростання квадрата динамічного КЕМЗ при всіх режимах електричного навантаження, досягаючи його максимуму 1,233 в режимі холостого ходу при к = 8.

Графіки розподілу по висоті усереднених коефіцієнтів трансформації внутрішніх п'єзотрансформаторних датчиків для одинарного та здвоєного блоків показують, що слабка перша мода у випадку здвоєного блоку наводить на тих самих п'єзотрансформаторних датчиках майже удвічі вищі потенціали, ніж сильна (по КДКЕМЗ) друга мода.

Цей факт свідчить, що на другій моді переважають поздовжні деформації, а поперечні напруження складаються з поздовжніми із значними фазовими зсувами. У випадку зрізаних пустотілих конусів із п'єзокераміки проведені порівняння виміряних резонансних та антирезонансних частот із вирахуваними на основі уточненої теорії оболонок і одержано задовільне узгодження результатів, так само, як і по характеру напруженого стану.

Досліджені характеристики електропружних коливань замкнутих і відкритих сферичних оболонок із п'єзокераміки. Встановлено, що найменша асиметрія, котра проявляється в наявності вирізу або в протифазному живленні частини електродного покриття, супроводжується порушенням симетричності напруженого стану й появою нових резонансів.

У шостому розділі розглянуті й проаналізовані результати експериментальних досліджень особливостей вимушених і резонансних коливань елементів конструкцій із п'єзокераміки поблизу від їхніх товщинних резонансів у порівнянні з коливаннями на інших частотах. Досліджувалися тонкі диски сталої та змінної товщини, а також кільцеві, сферичні та циліндричні сегменти.

Встановлено, що максимум повної провідності тонкого п'єзокерамічного диска на частоті товщинного резонансу майже в п'ять разів більший від повної провідності на частоті основного радіального резонансу, тоді як коефіцієнт передачі п'єзотрансформаторного датчика майже у стільки ж разів нижчий - пластина залишається в умовах узагальненого напруженого стану, незважаючи на інтенсивні рухи в напрямку поляризації. Товщинні коливання супроводжуються радіальними та асиметричними радіально-зсувними планарними деформаціями.

Наявність досить сильних “піків” обабіч від центрального резонансу 1818,9 кГц свідчить про те, що супутні обертони радіальних коливань 1796,9 і 1837,8 кГц теж оточені ще слабшими модами, котрі можуть належати до радіально-зсувних рухів.

У випадку товщинних коливань вузького п'єзокерамічного кругового кільця з товщинною поляризацією на першій, другій і третій товщинних модах кутової асиметрії немає, а рівень планарних напружень незначний, у кілька разів нижчий, ніж на радіально-зсувних модах. Розподіл спектру коливань вільного п'єзокерамічного кільця на низькочастотні, середньочастотні та високочастотні зберігається і у кругових секторах. Наявність підйомів і провалів у кутовому розподілі внутрішніх динамічних напружень вказує на суперпозицію в серединній площині радіальних та радіально-зсувних коливань.

У круглій пластинці змінної товщини на високих частотах замість чітко вираженого півхвильового резонансу спостерігається широка резонансна область із багатьма максимумами та мінімумами повної провідності. Ефективність електромеханічного перетворення енергії пластинами змінної товщини набагато менша, ніж при сталій товщині.

Максимум повної провідності на частоті першого товщинного резонансу “короткого” сферичного сегмента в багато разів перевищує повну провідність основної радіальної моди, а коефіцієнт передачі центрального п'єзотрансформаторного датчика, навпаки, в кілька разів вищий на радіальному резонансі. При товщинних коливаннях сферичного сегмента, як і кільця та тонкого диска, наближення плоского напруженого стану зберігаються.

У незамкнутій циліндричній оболонці із п'єзокераміки товщинний резонанс розділений на дві сильні сусідні моди з високою максимальною провідністю та різними ступенями електромеханічної ефективності. Інтенсивними є й обертони обох товщинних резонансів. Моди коливань початкової ділянки спектру резонансних частот циліндричного сегмента нагадують поздовжні та поперечні резонанси тонкої прямокутної п'єзокерамічної пластинки із товщинною поляризацією. Товщинні резонанси у всіх розглянутих п'єзокерамічних елементах відрізняються своєю високою електромеханічною зв'язаністю і завжди оточені обертонами інших коливань.

У сьомому розділі розглядаються закономірності поведінки п'єзокерамічних елементів конструкцій під впливом інтенсивних механічних, електричних і теплових полів, зокрема, залежності електрофізичних параметрів від температури та напруженості електричного поля. На прикладі радіальних коливань тонких п'єзокерамічних дисків з поляризацією по товщині, для яких отримані прості аналітичні формули зв'язку електромеханічних величин з характеристичними частотами та адміттансами, проводяться експериментальні дослідження в широкому температурному діапазоні з використанням спеціальних термостатів та стандартних вимірювальних засобів.

Вплив електричного поля навантаження вивчається по залежності характеристичних частот, п'єзомодулів та механічних добротностей від рівня прикладеної електричної напруги на резонансних частотах із застосуванням методу п'єзотрансформаторного датчика.

Оцінюється поведінка кругових п'єзокерамічних кілець в ультразвукових перетворювачах технологічного призначення по характеру релаксації основних параметрів пристрою в процесі його самоохолодження. Встановлено, що значного поліпшення електромеханічних параметрів пристрою можна досягнути, коли замість двох кілець із п'єзокераміки застосовувати у них чотири і навіть п'ять кілець.Поведінку тонких п'єзокерамічних пластинок на дуже низьких частотах вивчено на прикладі датчиків механічного навантаження у випробувальних машинах на втому. Встановлено, що в умовах чисто механічного згинового навантаження п'єзоелементи зберігають лінійний зв'язок своїх показань з амплітудою механічних коливань аж до руйнування, на яких порівнюються виміряні вольтметром потенціали п'єзокерамічних датчиків-пластинок, наклеєних на динамометрі серійної випробувальної машини та на дослідних зразках із амплітудою коливань, котра реєструвалася по відхиленню світлової плями.

ВИСНОВКИ

В дисертації розглянута важлива для інженерної практики нова науково-технічна проблема в галузі механіки зв'язаних полів у матеріалах і елементах конструкцій, яка полягає в розвитку і реалізації комплексної методики експериментального та експериментально-теоретичного дослідження електромеханічних резонансних коливань і ефективності перетворення енергії в типових тонкостінних п'єзокерамічних елементах конструкцій у кілогерцовому та мегагерцовому діапазонах частот.

На основі розвитку і реалізації комплексної експериментальної і експериментально-теоретичної методики, котра містить у собі удосконалений метод п'єзотрансформаторного датчика, метод резисторного чотириполюсника, метод характериографа і кругових діаграм, проведені експериментально-теоретичні дослідження резонансних електромеханічних коливань і ефективності перетворення енергії в тонкостінних п'єзокерамічних типових елементах конструкцій, таких як тонкі пластини з круговим, полігональним і криволінійним контуром; оболонки обертання, оболонкові сегменти та панелі; складені та секціоновані тіла, а також конструкції з п'єзокерамічними шарами, при гармонічному електричному навантаженні в діапазоні звукових і ультразвукових частот (від десятків кілогерців до одиниць мегагерців).

В результаті проведених досліджень зроблені такі основні висновки.

1. Побудована двомірна прикладна теорія несиметричних коливань тонкого п'єзокерамічного кільця з товщинною поляризацією, на основі якої виведені рівняння резонансних частот несиметричних коливань з будь-яким кутовим індексом. Як частинні випадки із цього рівняння випливають відомі співвідношення для радіальних і зсувних коливань кільця та несиметричних, радіальних і зсувних коливань кругового диска. Встановлено, зокрема, що несиметричні коливання кругових кілець із п'єзокераміки відрізняються від радіальних тим, що їхні резонансні частоти меншою мірою залежать від відношення внутрішнього та зовнішнього радіусів. При зміні цього відношення на спектрах усіх несиметричних коливань п'єзокерамічних кілець з'являються ділянки, на яких дві сусідні моди мають близькі частоти й відбувається зміна ефективності перетворення енергії.

2. Розроблена і випробувана нова методика визначення параметрів дисипації енергії по вимірюванню повної провідності тонких круглих пластин із суцільними і розділеними електродами. Продемонстрована реальна можливість дослідження фазових зсувів при коливаннях п'єзокерамічних тіл на прикладах тонкого диска і циліндричної оболонки. На прикладі радіальних коливань тонкого п'єзокерамічного диска опрацьована ефективна методика визначення комплексних електропружних параметрів п'єзокераміки. Встановлено, що тангенси механічних, діелектричних і п'єзоелектричних втрат сумірні між собою і лежать у межах 0,005 - 0,012. Опрацьована методика використана при дослідженні температурних залежностей, а виміряні параметри - при розрахунках амплітудно-частотних характеристик повної провідності чотириелектродних дисків із п'єзокераміки та п'єзокерамічних кілець із товщинною поляризацією. Доведено, що обертони радіальних коливань кільця з ростом діаметра отвору перетворюються в коливання стержневого типу по різницевому радіусу.

3. Вивчені характеристики напруженого стану і ефективності резонансних коливань тонкої прямокутної пластинки із п'єзокераміки. На основі виявлених закономірностей проаналізовані поздовжні і поперечні коливання плоского пластинкового п'єзотрансформатора. Виведена уточнена формула для коефіцієнта передачі п'єзотрансформатора, котра добре узгоджується з експериментальними результатами і в частинному випадку зводиться до відомої в літературі. Показано аналітично і експериментально, що в поперечно-поздовжньому пластинковому п'єзотрансформаторі однаково ефективно збуджуються електромеханічні коливання на двох перших поздовжніх резонансах, чого не буває в однорідній пластинці. Досліджені особливості деформування чотирикутників із криволінійними границями, а також квадратних, шестикутних, трикутних і ромбічних п'єзокерамічних пластин. Експериментально встановлено, що із усіх пластин тільки рівносторонній шестикутник має на двох найнижчих по частоті сусідніх модах коливань однаково високі коефіцієнти електромеханічного зв'язку. Цей результат можна використати у п'єзокерамічних фільтрах частот.

4. Досліджені особливості деформування циліндричних, конічних і сферичних оболонок обертання із п'єзокераміки. На прикладі зрізаної конічної оболонки зіставлені результати аналітичних досліджень на основі уточненої теорії оболонок з експериментальними даними по резонансних частотах і динамічних напруженнях, які підтвердили достовірність теорії. Криві розподілу динамічних напружень по твірній показали. що зрізаний конус займає проміжне становище між циліндром і круговим кільцем і наближається до того або іншого залежно від кута конусності. Найвищу ефективність електромеханічного перетворення енергії в замкнутих сфероїдах мають симетричні радіальні коливання, а наявність у них навіть незначної геометричної або фізичної асиметрії проявляється в характеристиках розподілу внутрішніх динамічних напружень по меридіану та паралелі. Протифазне живлення електродів сферичного сегмента підсилює тенденції до проявів асиметрії.

5. З'ясована поведінка тонких п'єзокерамічних пластин і кілець на високих частотах поблизу від їхніх товщинних резонансів, де має місце суперпозиція різних форм коливань. Встановлено, зокрема, що характер суперпозиції залежить від складу п'єзокераміки і проявляється у взаємному підсиленні або ослабленні сусідніх мод.

6. Вивчений вплив інтенсивних механічних, електричних і теплових полів на електрофізичні параметри п'єзокерамічних зразків. Побудовані графіки залежності основних параметрів п'єзокераміки від температури. Показано, що для кожного складу п'єзокераміки існують обмеження по температурі згори, навіть короткочасне досягнення яких супроводиться частковою або повною деполяризацією і втратою зразком своїх п'єзоелектричних властивостей. Для поліпшення електромеханічних характеристик перетворювачів техно-логічного призначення доцільно вибирати кількість п'єзокерамічних кілець 3-5.

7. В умовах, коли механічне навантаження не супроводиться тепловим, як у випадку застосування п'єзокерамічних елементів для контролю рівня механічного навантаження при випробуваннях на втомлюваність, зберігається лінійність між наведеним п'єзоелектричним зарядом та амплітудою механічних коливань аж до початку руйнування кераміки.

Окремі результати дисертації впроваджені в Київському Державному науково-дослідному інституті гідроприладів, ОКБ “П'єзоприлад” Ростовського університету (Російська Федерація), Інституті механіки ім. С.П. Тимошенка НАН України, а також увійшли до кількох тем впровадження відділу електропружності, в котрих автор був співвиконавцем.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ

Карлаш В.Л., Улитко А.Ф. Исследование колебаний пьезокерамических элементов методом пьезотрансформаторного датчика / Экспериментальные исследования тонкостенных конструкций / Под ред. А.Н. Гузя, В.А. Заруцкого. - К.: Наук. думка. - 1984. - С. 178-196.

Карлаш В.Л. Амплитудно-фазовые соотношения в методе пьезотрансформаторного датчика // Прикл. механика. - 1983. - 19, № 10. - С. 95-І01.

Карлаш В.Л. Влияние диссипации энергии на амплитудно-частотную характеристику полной проводимости тонкого пьезокерамического диска // Электричество. - 1984. № 4. - С. 59-61.

Карлаш В.Л. Диссипация энергии при колебаниях тонких пьезокерамических круглых пластин // Прикл. механика. - 1984. - 20, № 5. - С. 77-82.

Карлаш В.Л. Электроупругое напряженное состояние тонких круглых колец и конических усеченных оболочек из пьезокерамики при несимметричных колебаниях // Прикл. механика. -1986. - 22, № 5. -.С. 121-125.

Карлаш В.Л. Формы колебаний и эффективность преобразования энергии составными пьезокерамическими стержнями // Прикл. механика. - 1987. - 23, № 2. - С. 72-78.

Карлаш В.Л. Резонансные колебания тонких пьезокерамических пластин с криволинейными границами // Прикл. механика. - 1987. -23, № 7. -С. 105- 109.

Карлаш В.Л. Динамические напряжения в составном пьезокерамическом полом цилиндре // Прикл. механика.1987. -23, № 8. - С.49-54.

Карлаш В.Л. Особенности планарных колебаний пьезокерамических круглых пластин // Прикл. механика. -1987. -23, № 11. - С. 74-80.

Карлаш В.Л. К вопросу об электромеханических потерях в пьезокерамических телах // Прикл. механика. - 1988. -24, № 3. -С.58-бЗ.

Карлаш В.Л. Несимметричные колебания пьезокерамических круговых колец с двусторонними диаметральными разрезами электродного покрытия // Там же, № 8. - С. 79-85.

Карлаш В.Л. Несимметричные колебания многоэлектродных пьезокерамических круговых колец с поляризацией по толщине // Прикл. механика. - 1990. - 26, № 4. - С. 67-74.

Карлаш В.Л. Электроупругие колебания составного пьезокерамического полого цилиндра с радиальной поляризацией // Прикл. механика. -1990. - 26, № 5. -С. 20-25.

Карлаш В.Л. Резонансные колебания и напряженное состояние круговых пьезокерамических кольцевых секторов // Прикл. механика. - 1993. - 29, № 2. -С. 53-61.

Карлаш В.Л. Вынужденные высокочастотные колебания тонких пьезокерамических круговых дисков // Прикл. механика. - 1995. - 31, № 5. - С. 75-80.

Карлаш В.Л. Планарно-толщинные колебания пьезокерамических колец и дисков // Прикл. механика. - 1997.- 33, № 7.- С .72-78.

Карлаш В.Л. Формы колебаний и механические потери энергии в полом усеченном пьезокерамическом конусе // Прикл. механика. - 1998. - 34, № 11. - С. 32-37.

Карлаш В.Л. Вынужденные электроупругие колебания плоского пьезоэлектрического трансформатора поперечно-продольного типа // Прикл. механика. - 2000. - 36, № 7. - С. 92-98.

Карлаш В.Л. Частотные свойства плоского пьезотрансформатора поперечно-продольного типа. // Прикл. механика. - 2000. - 36,№ 8. - С. 128-135.

Карлаш В.Л. Напряженное состояние прямоугольной пьезокерамической пластины с поперечно- продольной поляризацией // Прикл. механика. - 2001. - 37, № 3. - С.105-111.

Карлаш В.Л. Коэффициент передачи и моды колебаний плоского поперечно-продольного пьезотрансформатора // Электричество.-2002, №1.-С. 51 -55.

Карлаш В.Л. Продольные колебания и входная проводимость составной пьезокерамической прямоугольной пластины с поперечно-продольной поляризацией // Прикл. механика. - 2002. - 38, № 5. - С. 117-123.

Карлаш В.Л. Електропружні коливання й уточнена формула коефіцієнта передачі плоского пластинкового п'єзотрансформатора // Вісник Донецького університету, Сер.А.: Природ. науки. - 2003. - вип.1 С. 98-102.

Карлаш В.Л. Электроупругие характеристики плоского пластинчатого пьезотрансформатора // Прикл. механика. - 2003. - 39, № 7. - С. 139-143.

Карлаш В.Л. Влияние потерь энергии на характеристики плоского пластинчатого пьезотрансформатора // Прикл. механика. - 2003. - 39, № 8. - С. 134-139.

Карлаш В.Л. Анализ форм колебаний пьезокерамической прямоугольной пластины с поперечно-продольной поляризацией// Прикл. механика. - 2003. - 39, № 10. - С. .

Болкисев A.M., Карлаш В.Л., Шульга Н.А. О зависимости свойств пьезокерамических материалов от температуры // Прикл. механика. - 1984. - 20, № 7. - С. 70-74.

Карлаш В.Л., Кубяк Р.Ф., Филатов Э.Я., Шульга Н.А. О возможности применения пьезокерамических датчиков для контроля уровня нагружения при усталостных испытаниях // Заводская лаборатория. - І987. - 53, №.12. - С. 64-65.

Евсейчик Ю.Е., Карлаш В.Л., Рудницкий С.И. Колебания усеченных конических оболочек из пьезокерамики // Прикл. механика. - 1990. - 26, № 6.- С. 25-31.

Карлаш В.Л. Элекгроупругость многоэлектродных пъезокерамических пластин // Ш Всесоюзный симпозиум: Теоретические вопросы магнитоупругости. - Ереван: ЕрГУ. - 1984. -С. 84-87.

Карлаш В.Л. Несимметричные колебания тонких пьезокерамических круглых преобразователей с разделенными электродами // Применение ультразвука в промышленности и медицине. - Каунас:КПИ. - 1987. - Доп. вып. С. 30.

Карлаш В.Л. Механические потери энергии при колебаниях полого пьезокерамического цилиндра с радиальной поляризацией // Тезисы докладов ХІУ конференции по вопросам рассеяния энергии при колебаниях механических систем. - К. :Наук. думка. - 1989.С. 54-55.

Карлаш В.Л. К теории планарных колебаний тонких пьезокерамических пластин // ІУ Симпозиум: Теоретические основы магнитоупругости. Материалы докладов. - Ереван: ЕрГУ. - 1989. - С. 106-112.

Карлаш В.Л. Несимметричные резонансные колебания пьезокерамических колец и дисков с диаметральными разрезами электродного покрытия // Тезисы докладов Совещания-семинара: Инженерно-физические проблемы новой техники. М.: МГТУ, 1990. - С. 130.

Карлаш В.Л. Резонансные колебания пьезокерамического сферического сегмента с радиальной поляризацией // Тезисы докладов Ш Международного совещания-семинара: Инженерно-физические проблемы новой техники. - М.:МГТУ. - 1994. - С. 106.

Карлаш В.Л. Поведение пьезокерамических колец в стержневых электромеханических преобразователях технологического назначения // Материалы ІУ Международного совещания-семинара: Инженерно-физические проблемы новой техники. - М: МГТУ. - 1996. - С. 86-87.

Карлаш В.Л. Реакция цилиндрической пьезокерамической оболочки на ударное воздействие // Тезиси докладов Всероссийской конференции: Необратимые процессы в природе и технике. М.:МГТУ. - 2001. - С. 116.

Карлаш В.Л. The dynamic stresses in an input section of piezotransformer of transverse-longitudinal type // Вторая Всероссийская конференция: Необратимые процессы в природе и технике. - М.: МГТУ. - 2003. - С. 51-53.

Карлаш В.Л., Мотовиловец А. И. Исследование физико-механических полей в вязкоупругих диэлектриках на пьезокерамических моделях // Диэлектрики в экстремальных условиях. - Томск. -І988. - С. 58.

Болкисев A.M., Карлаш В.Л., Шульга Н.А. Влияние теплового режима на вязкоупругие свойства элементов конструкций из пьезокерамики // Тезисы докладов У Всесоюзной конференции: Методика и техника ультразвуковой спектроскопии.- Вильнюс. - 1984. - С. 13.

АНОТАЦІЯ

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 01.02.04 - механіка деформівного твердого тіла. - Інститут механіки ім. С.П. Тимошенка НАН України, Київ, 2004.

Дисертацію присвячено комплексному експериментально-теоретичному дослідженню електромеханічних резонансних коливань і ефективності перетворення енергії в п'єзокерамічних тонкостінних типових елементах конструкцій у кілогерцовому і мегагерцовому діапазонах частот електричного навантаження. З цією метою побудовані узагальнені аналітичні розв'язки задач про радіальні коливання тонкої круглої пластини з концентричним електродним покриттям, про несиметричні радіально-зсувні коливання кругових кілець із товщинною поляризацією, про поздовжні коливання двосекційних прямокутних пластин, що різняться пружними податливостями в секціях. Проведені експериментальні дослідження широкого класу важливих для інженерної практики нових задач по визначенню особливостей деформування типових елементів конструкцій із п'єзокераміки в діапазоні від найнижчих планарних і згинових мод до обертонів товщинних резонансів. Опрацьовані нові методики визначення комплексних параметрів п'єзокераміки на основі вимірювань резонансних частот і провідностей при радіальних коливаннях круглих пластин і кілець. Вивчена поведінка п'єзокерамічних зразків під впливом інтенсивних механічних, теплових та електричних полів.

Ключові слова: динамічні напруження, п'єзокерамічні елементи конструкцій, метод п'єзотрансформаторного датчика, резонансні коливання, пластина, оболонка, просторові тіла.

ABSTRACT

Karlash V.L. Experimental-theoretical analyze of the electromechanical resonant vibrations and energy transform efficiency in the piezoceramic thin construction elements. - Manuscript.

Thesis for Doctor of Sciences (Engineering) degree by specialty 01.02.04 - mechanics of deformable solids. - S.P. Timoshenko Institute of Mechanics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2004.

The work is devoted to the complex theoretical and experimental investigation of the resonant electroelastic vibrations, energy transform efficiency and dynamic stress state in the piezoceramic plates, shells of rotation and spatial bodies as the construction elements under harmonic loading. An original experimental method named as a piezotransformer transducer method was used for determination of the dynamic stress state in all the piezoceramic samples. The general analytic solutions for radial vibrations of thin disk with concentric ring electrode coating, for nonsymmetrical vibrations of the piezoceramic rings with divided electrodes and for longitudinal vibrations of the rectangular monolithic plates with two sections of transverse and longitudinal polarization were made. Experimental investigations of wide class of the important engineering problems such as the determination of dynamic stress state, characteristic frequencies, resonant conductivities and electromechanical coupling factors were provided. A successful attempt of studying the internal mechanical stresses in spatial hole segmented cylinder was made in the work. The behavior of the piezoceramic construction elements under influence of the high mechanic, thermo or electric fields was investigated too.

The work consist of an introduction, seven chapters, conclusion and list of references (367 names) and it has 354 pages, 100 figs and 39 tables. Main results were published in 58 works and 40 works were included in this assay.

In an introduction it is taken the general characteristic of the work and its actuality.

In the first chapter the references review was made and the problem of investigation was formulated. The known electromechanical relations for piezoceramic bodies were described. It was shown that the dynamic stresses, electromechanical efficiency and the resonant properties of the piezoceramic construction elements were studied not enough.

In the second chapter the review of experimental methods was made. The piezotransformer transducer method was expanded on the new objects and new applications such as the measurement of the complex ceramics parameters from radial vibrations of the disks and rings.

In the third chapter the nonsymmetrical vibrations of the thin rings were regarded and resonant spectrum for various radial and angular indexes were presented. It was shown that the most intensive modes have radial distribution of the dynamic stresses, which look to the halfwave modes of narrow rod.

In the forth chapter the planar vibrations of the piezoceramic plates as well as the plane rectangular transverse-longitudinal piezotransformer were regarded and a refined formula for transform ratio was derived. This formula explained the authors experimental data.

In the fifth chapter the results of experimental studies of peculiarity of the stress state of shells of rotation and spatial bodies from piezoceramics are described. It is shown that the most intensive modes of thin cylinder shells look to longitudinal modes of rods. The theoretic and experiment results for cone shell coincide well.

In the sixth chapter the thickness resonant of the various geometric shape samples were regarded. Such vibrations are surrounded by numerous radial or planar modes and increase them.

In the seventh chapter an influence of thermal, mechanic and electric fields on the construction element behavior is studied. It is established that pour mechanic influence induce linear effects only.

In conclusions the main result of the work is formulated as a solution of important engineering problem in coupled field mechanics.

Key words: dynamic stresses, piezoceramic construction elements, piezotransformer transducer method, resonant vibrations, plate, shell, spatial bodies.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 01.02.04 - механика деформируемого твердого тела. - Институт механики им. С.П. Тимошенка НАН Украины, Киев,. 2004.

Диссертацию посвящено комплексному экспериментально-теоретическому исследованию электромеханических резонансных колебаний и эффективности преобразования энергии в пьезокерамических тонкостенных типичных элементах конструкций в килогерцовом и мегагерцовом диапазонах частот электрического нагружения. С этой целью построены обобщенные аналитические решения задач о радиальных колебаниях тонкой круглой пластины с концентрическим электродным покрытием, о несимметричных радиально-сдвиговых колебаниях круговых колец с толщинной поляризацией, о продольных колебаниях двухсекционных прямоугольных пластин, отличающихся упругими податливостями в секциях. Проведены экспериментальные исследования широкого класса важных для инженерной практики новых задач по определению особенностей деформирования типичных элементов конструкций из пьезокерамики в диапазоне от нижайших планарных и изгибных мод до обертонов толщинных резонансов. Разработаны новые методики определения комплексных параметров пьезокерамики на основе измерения резонансных частот и проводимостей при радиальных колебаниях круглых пластин и колец. Изучено поведение пьезокерамических образцов под влиянием интенсивных механических, тепловых и электрических полей.

Ключевые слова: динамические напряжения, пьезокерамические элементы конструкций, метод пьезотрансформаторного датчика, резонансные колебания, пластина, оболочка, пространственные тела.

Размещено на Allbest.ru